Projetar concreto impresso em 3D para absorver mais CO₂

Limites ambientais do concreto: uso de areia e emissões de CO₂

Nas últimas décadas, o concreto se tornou o principal material de construção, sobretudo em ambientes urbanos densamente povoados. Graças ao baixo custo, à facilidade de uso e à possibilidade de produção em grande escala, substituiu gradualmente tijolos, pedra e madeira.

Mas ele não está isento de problemas.

Em primeiro lugar, está longe de ser um produto sustentável em termos de consumo de recursos. Seu uso exige quantidades enormes de areia, a ponto de haver relatos de que “o mundo está ficando sem areia”.

Fonte: Visual Capitalist

A produção de cimento também consome muita energia. Ela é quase inteiramente movida a combustíveis fósseis, o que faz com que a produção de cimento responda por 8% das emissões mundiais de CO₂.

Esse valor é comparável às emissões de carros e vans, responsáveis por 10% das emissões globais. Por isso, tornar o concreto mais sustentável teria um impacto equivalente ao de substituir todos os carros do mundo por veículos elétricos e abastecê-los exclusivamente com energia limpa.

No entanto, essas emissões também podem ser parcialmente compensadas por um fenômeno chamado carbonatação, no qual materiais cimentícios absorvem CO₂ da atmosfera.

Um novo estudo de pesquisadores da ETH Zurich (Suíça), da University of Bath (Reino Unido) e da University of Manchester (Reino Unido) investiga o potencial do concreto impresso em 3D de ter uma pegada de carbono menor que a do concreto convencional, graças a uma carbonatação mais rápida. Para o concreto impresso usado na construção da Tor Alva, os pesquisadores estimaram que, ao longo de 50 anos, a carbonatação poderia compensar aproximadamente 21% de sua pegada de carbono inicial.

Os pesquisadores publicaram os resultados na revista Cement and Concrete Research¹, em um artigo intitulado “(Re)carbonatação: uma nova oportunidade para o concreto impresso em 3D sustentável”.

Concreto e CO₂

A principal razão pela qual o concreto representa uma parcela significativa das emissões globais de carbono é a calcinação do calcário (CaCO₃), que se decompõe em CO₂ e óxido de cálcio, ou cal virgem (CaO). Em seguida, a cal virgem se combina imediatamente com sílica (SiO₂), alumina (Al₂O₃) e óxido de ferro (Fe₂O₃), provenientes da argila ou do xisto, para formar o cimento final.

“A maior parte dessas emissões (em geral, 60% [2]) decorre da calcinação do calcário (CaCO₃), que se decompõe em CO₂ e óxido de cálcio (CaO) antes do processo de clinquerização, realizado no forno. O restante das emissões de CO₂ do cimento está relacionado principalmente aos combustíveis fósseis necessários para gerar energia térmica.”

Essas emissões de carbono podem ser parcialmente compensadas na etapa seguinte, quando o cimento é usado na construção de estruturas de concreto.

Na pasta de cimento endurecida, os produtos de hidratação que contêm cálcio reagem lentamente com o CO₂ do ar, formando carbonatos de cálcio e, assim, sequestrando CO₂.

“Do ponto de vista da sustentabilidade, essa mesma reação de fixação do CO₂ pode ser chamada de (re)carbonatação. Essa quantidade corresponde a aproximadamente 43% das emissões de CO₂ associadas à produção de cimento.”

Esse processo de carbonatação, porém, também tem desvantagens. Ele reduz a alcalinidade da solução nos poros do concreto, o que pode desestabilizar a película de passivação presente na armadura de aço. Isso pode provocar a corrosão do aço e reduzir a vida útil de estruturas convencionais de concreto armado.

Isso pode ser um problema sério para concretos de baixo carbono, pois eles tendem a carbonatar mais rapidamente do que o concreto de cimento Portland convencional.

Impressão 3D de concreto

Um exemplo do mundo real

Entre os novos métodos de construção que usam fabricação digital com concreto, a impressão 3D de concreto é a tecnologia mais difundida e promissora.

Para avaliar a pegada de carbono real dessa técnica, os autores do estudo desenvolveram uma metodologia para realizar sua avaliação dinâmica do ciclo de vida (ACV). Como estudo de caso do mundo real, usaram a torre “Tor Alva”, impressa em 3D e situada na aldeia de Mulegns, nos Alpes suíços, com foco nas colunas ramificadas e na cúpula impressas em 3D.

Fonte: Pesquisa sobre Cimento e Concreto

Primeiro, mediram a carbonatação por três métodos diferentes: um usou testes acelerados (em uma câmara de carbonatação mantida a 4% de CO₂, 67% de umidade relativa e 20 °C), e os outros dois usaram resultados de carbonatação natural: a medição direta da profundidade de carbonatação e a quantificação de carbonatos/CO₂ por análise termogravimétrica.

Como determinar a taxa real de carbonatação

Para projetar o efeito da carbonatação observada, os pesquisadores adotaram um horizonte de 50 anos. Também compararam os resultados da estrutura de concreto impressa em 3D com os de uma estrutura moldada in loco, de geometria externa semelhante e produzida com uma composição de cimento similar.

Os pesquisadores constataram que, na zona de carbonatação do concreto, todo o material disponível estava reagindo e absorvendo CO₂.

“Na região carbonatada, a quantidade de CO₂ ligado varia entre 44,16 e 51 g de CO₂/100 g de ligante hidratado. O valor mais alto corresponde a uma quantidade de CO₂ suficiente para descalcificar todo o silicato de cálcio hidratado disponível.”

Fonte: Pesquisa sobre Cimento e Concreto

A questão seguinte é determinar quanto do concreto impresso em 3D realmente capturará carbono ao longo de sua vida útil. Ao analisar a penetração da carbonatação por meio de testes acelerados, os pesquisadores concluíram que, em 50 anos, 86% de toda a argamassa impressa usada na torre estaria carbonatada, totalizando 32 m³ de concreto impresso carbonatado.

Fonte: Pesquisa sobre Cimento e Concreto

Ao comparar esses resultados com as medições de carbonatação natural, a medição direta da profundidade de carbonatação apresentou um valor semelhante (89%). Os métodos produziram estimativas diferentes da extensão da carbonatação, mas essas porcentagens não medem diretamente a absorção total de CO₂. Os pesquisadores explicam que os indicadores de pH podem deixar de detectar uma absorção significativa antes que o material mude de cor. A análise termogravimétrica mede diretamente a absorção e embasou uma redução estimada de 21% na pegada de carbono do concreto impresso, em comparação com 14% segundo as medições de pH da carbonatação natural.

Fonte: Pesquisa sobre Cimento e Concreto

Em comparação com a estrutura moldada no local, a pegada de carbono da Tor Alva é menor, graças ao uso de 25% menos concreto e à maior carbonatação.

“Apesar de usar 25% menos material cimentício, a estrutura de concreto impresso em 3D pode fixar 2,5 vezes mais CO₂ do que a estrutura de referência moldada no local (4,6 t de CO₂ na estrutura impressa e 1,9 t na moldada).”

Maior captura de carbono

Este estudo indica que a carbonatação rápida pode aumentar a captura de carbono pelo concreto, reduzindo significativamente as emissões totais de carbono ao longo do ciclo de vida de um edifício. Isso se aplica especialmente a estruturas de concreto sem vergalhões de aço e ao concreto impresso em 3D, graças à carbonatação mais rápida.

Também é importante observar que os ciclos de congelamento e descongelamento, como os do exemplo estudado (nos Alpes suíços), provavelmente afetaram tanto as condições de contorno quanto as propriedades internas de transporte que determinam o movimento da umidade e do CO₂.

Fonte: Pesquisa sobre Cimento e Concreto

Na prática, isso pode significar que o concreto impresso em 3D em climas mais quentes atuaria como um sumidouro de carbono ainda mais eficaz, mas isso precisa ser comprovado por estudos adicionais.

“O congelamento da água nos poros pode obstruir parcialmente a rede de poros e, assim, reduzir o transporte efetivo e retardar a carbonatação. Esses resultados sugerem que os efeitos das baixas temperaturas — seja por meio do bloqueio parcial dos poros, de mudanças no estado de umidade ou de uma combinação de ambos — devem ser considerados ao descrever a carbonatação nessas condições ambientais.”

Isso também abre novas perspectivas para otimizar a impressão 3D de concreto. A otimização da carbonatação pode se tornar um parâmetro adicional na otimização geométrica de estruturas de concreto impressas em 3D, maximizando a exposição da superfície à carbonatação.

Isso não significa que o concreto impresso em 3D seja um método de construção livre de carbono. Mesmo com a carbonatação otimizada, as emissões geradas durante a calcinação na produção do cimento continuam sendo significativas. E, é claro, o carbono reabsorvido ao longo de 50 anos contribuirá significativamente para as mudanças climáticas nesse período.

No entanto, se essas emissões de carbono fossem capturadas na fábrica de cimento, a carbonatação posterior do edifício de concreto poderia realmente transformar esse tipo de infraestrutura em um sumidouro líquido de carbono, apesar de ser feita de concreto.

O concreto impresso em 3D tem muito mais chances de alcançar esse objetivo primeiro, ao combinar geometria otimizada, ligantes de baixo carbono e armadura adequada. Isso, por sua vez, poderia criar uma oportunidade para os fornecedores de materiais de construção.

Investir em tecnologias avançadas de concreto

CRH

Como uma das líderes mundiais na produção de cimento, a CRH terá papel fundamental na transformação da construção com cimento em um setor mais sustentável. A empresa ocupa o primeiro lugar em volume total de materiais de construção fornecidos nos mercados dos EUA e da Europa.

Fonte: CRH

A empresa atua em 28 países e 3.390 localidades, emprega 78.500 pessoas e tem a CRH Americas responsável por 65% de suas vendas globais. É também, de longe, a maior empresa de cimento, posição de liderança ainda mais consolidada com sua recente aquisição da Arcosa.

“A transação reforça a posição de liderança da CRH no setor de agregados nos EUA e no mundo, além de ampliar sua exposição a algumas das áreas estatísticas metropolitanas (MSAs) de crescimento mais rápido dos EUA.”

Fonte: CRH

A CRH espera que os fortes investimentos dos governos ocidentais em infraestrutura contribuam para o crescimento de seus negócios. As tendências de reindustrialização e de transferência da fabricação de produtos de alta tecnologia de volta para o país também devem ajudar.

A CRH fez progressos significativos em sustentabilidade com uma série de iniciativas:

• É a maior recicladora da América do Norte: em 2023, reciclou 43,9 milhões de toneladas de resíduos e subprodutos de outros setores.
• Em 2023, reduziu suas emissões de CO₂ em 8%, graças ao uso de combustíveis alternativos em 36% de suas fábricas de cimento.
• A empresa pretende reduzir as emissões em 30% até 2030, em comparação com as emissões de 2021.

A CRH também impulsiona mudanças mais profundas no setor. Em particular, investiu US$ 75 milhões na Sublime, empresa de cimento de baixo carbono, junto com a gigante europeia do concreto Holcim.

Sublime Systems surgiu como uma empresa derivada do MIT em 2020 para usar um eletrolisador na produção de cimento em temperatura ambiente, substituindo os fornos, que consomem muita energia e combustíveis fósseis. A tecnologia também permite usar fontes de cálcio como matéria-prima, evitando a liberação de CO₂ proveniente do calcário utilizado.

A primeira unidade comercial da Sublime, em Holyoke, deve entrar em operação já em 2026. Se for bem-sucedida, poderá transformar o setor cimenteiro e abrir caminho para a produção escalável de concreto de baixa emissão.

A CRH também investiu em outras startups voltadas à descarbonização e à sustentabilidade:

• € 23,7 milhões na Cool Planet Technologies, que desenvolve soluções de captura de carbono para setores cuja descarbonização tem sido tradicionalmente difícil.
• US$ 34,7 milhões investidos pela CRH e por outros investidores na Carbon Upcycling Technologies, que usa uma solução de mineralização totalmente elétrica para armazenar permanentemente CO₂ em subprodutos industriais e minerais, como cimento, plásticos, produtos de consumo, fertilizantes e produtos farmacêuticos.
• AICrete, uma plataforma de «receita como serviço» que trabalha com produtores locais de concreto, otimiza o uso de materiais locais e reduz a quantidade de cimento utilizada por meio de análises de IA, diminuindo tanto a pegada de CO₂ quanto o custo de produção do concreto.
• O financiamento da rodada Série B da FIDO AI destina-se a uma startup que usa IA para reduzir o consumo de água e ampliar sua economia.

Por fim, a CRH também está investindo na impressão 3D de concreto (3DCP) por meio de sua subsidiária Amerimix.

De modo geral, a CRH é uma líder rentável nos setores de concreto e construção e está se preparando ativamente para a descarbonização do setor, tanto diretamente em suas instalações existentes quanto como importante provedora de capital para startups inovadoras que desenvolvem tecnologias de próxima geração para a produção de cimento e concreto, incluindo tecnologias de descarbonização e impressão 3D.

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Estudo citado

^{1. Lucas Nascimento de Lima. (Re)carbonatação: uma nova oportunidade para o concreto sustentável impresso em 3D. Cement and Concrete Research. dezembro de 2026. Artigo: 108411. Volume 210. 10.1016/j.cemconres.2026.108411}